冷拔油缸管失效原因分析及探討

黃佑啟，王世明

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001）

冷拔工藝具有優(yōu)良的特性，如加工余量小，精度高，避免了熱軋鋼管嚴重的單邊現(xiàn)象，且產品表面狀況好，力學性能優(yōu)異，同時對于直徑較大且長的鋼管，有利于矯直等，被廣泛應用于石油、化工、汽車和機械加工等行業(yè)［1］。隨著工程機械功率和對設備安全性要求的不斷提高，對油缸管使用壽命和安全性提出了更高的要求，冷拔+刮滾為油缸管的主要生產工藝。本文通過對典型鋼級45鋼制造的某液壓油缸管的開裂情況進行分析，揭示油缸的另一種失效形式，對油缸管的生產和使用具有一定的參考意義。

1 基本情況

某公司使用熱軋態(tài)45鋼用冷拔+刮滾工藝生產的成品油缸管，其裂紋形貌如圖1所示。該成品油缸管使用11 h后，在20 MPa左右的壓力下發(fā)生貫穿性開裂，如圖1（b）～（c）所示。從圖1中可以看出，裂紋沿該油缸管縱向直線分布，并貫穿整個鋼管截面，裂紋在鋼管臺階處最寬，到近管端處逐漸變細。

油缸管的加工工序為：Φ267 mm×18.5 mm規(guī)格45鋼無縫鋼管（熱軋態(tài)）→酸洗、磷化、皂化→冷拔（規(guī)格Φ260 mm×15.5 mm）→去應力退火（500℃保溫2 h后緩冷至300℃出爐空冷）→矯直、切管→表面車加工→鋼管內表面刮滾（Φ260 mm×15 mm）→檢驗→表面涂漆→裝配→包裝入庫。

圖1 成品油缸管裂紋形貌

2 分析過程

2.1 化學成分分析

從45鋼冷拔油缸管上取樣做化學成分分析，45鋼冷拔油缸管化學成分見表1。由表1可見，45鋼冷拔油缸管的化學成分滿足GB/T 699—2015《優(yōu)質碳素結構鋼》中對45鋼的要求。

表1 45鋼冷拔油缸管化學成分（質量分數(shù)） %

2.2 理化性能分析

在45鋼冷拔油缸管上取拉伸試樣（Φ8 mm圓棒）、沖擊試樣和硬度試樣，并在室溫進行試驗。45鋼冷拔油缸管力學性能試驗結果見表2。從表2可以看出，該45鋼冷拔油缸管3個試樣的沖擊值分別為7.5，6.7，7.0 J，平均值為7.1 J。由此可見，母材的韌性較差，一旦產生裂紋源，擴展速度就會很快。

表2 45鋼冷拔油缸管力學性能試驗結果

2.3 斷口宏觀分析

45鋼冷拔油缸管斷口宏觀形貌如圖2所示，從圖2中可以觀察到：

（1）油缸管斷口平整，呈明顯的脆性斷口特性，裂紋兩側幾乎觀察不到剪切唇，斷口大部分區(qū)域因氧化而呈現(xiàn)暗色，但有小部分區(qū)域呈現(xiàn)明顯的金屬光澤；

（2）斷口可見明顯人字紋，因此根據(jù)人字紋指尖方面可以找出裂紋源［2］，圖2中標志出的收斂處就是裂紋源，并且鋼管臺階處有多處開裂而遺留下的片狀金屬塊［3］。

圖2 45鋼冷拔油缸管斷口宏觀形貌

2.4 基體組織和晶粒度檢驗

從45鋼冷拔油缸管基體上取樣，進行金相分析，其組織如圖3所示，其金相組織為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體，根據(jù)GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》對45鋼冷拔油缸管進行晶粒度檢驗，其晶粒均勻，無晶粒粗大和不均勻的現(xiàn)象，晶粒度等級為5級。

圖3 45鋼冷拔油缸管基體金相組織

2.5 顯微組織觀察

在圖1（a）黑框所示位置取樣，并進行微觀分析，可以發(fā)現(xiàn)大裂紋附近的壁厚中間處有許多細小裂紋，結果如下：

（1）裂紋兩側無脫碳，裂紋垂直鋼管表面開裂，45鋼冷拔油缸管缺陷試樣金相組織如圖4所示；

（2）大裂紋附近的壁厚中間處有許多細小裂紋，小裂紋無脫碳，且從其放大照片可以看出，裂紋是穿晶開裂，45鋼冷拔油缸管缺陷試樣小裂紋金相組織如圖5所示。

圖4 45鋼冷拔油缸管缺陷試樣金相組織

圖5 45鋼冷拔油缸管缺陷試樣小裂紋金相組織

2.6 掃描電鏡觀察

對45鋼冷拔油缸管圖1（a）所示黑框位置進行斷口掃描電鏡分析，缺陷試樣斷口形貌及能譜分析如圖6～7所示，從圖中可以觀察到：

（1）靠近外壁處的斷口由于暴露時間較長覆蓋了較多的氧化物，但從覆蓋的氧化物下可觀察到清晰的河流狀解理斷口；

（2）靠近內壁處的斷口基本無氧化物覆蓋，可觀察到絕大部分的扇形或河流狀的解理斷口，在斷口處也可觀察到些許顆粒狀的氧化鈣夾雜，如圖7所示。

圖6 45鋼冷拔油缸管缺陷試樣斷口形貌

圖7 45鋼冷拔油缸管試樣能譜分析

45鋼冷拔油缸管試樣002位置能譜分析結果見表3。

表3 45鋼冷拔油缸管試樣002位置能譜分析結果 %

3 開裂原因分析

通過對失效油缸的基體進行成分和力學性能分析，顯示各項指標均符合使用要求，基體組織為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體，晶粒度5級，未見晶粒粗大和不均勻等異常現(xiàn)象。宏觀和微觀分析結果表明，裂紋附近未發(fā)現(xiàn)任何管材原始缺陷、夾雜物超標和氧化脫碳現(xiàn)象。性能檢測顯示該油缸管室溫沖擊功非常低，抵抗開裂的能力差，裂紋會沿著起裂點快速擴展，這種說法通過在掃描電鏡分析中出現(xiàn)明顯的解理狀斷口得到驗證。

去應力退火的目的是為了去除工件在塑性變形、切削加工或焊接等造成的內應力及鑄件內存在的殘余應力，由于只是為了去除應力，故不必加熱至發(fā)生相變的溫度，只需加熱到Ac1以下100～200℃即可。一般碳鋼、低合金鋼選擇的去應力退火溫度為550～650℃，而且加熱溫度越高，所需要的時間越短［4-11］，實際采用的工藝為：500℃保溫2 h后緩冷至300℃出爐空冷，退火溫度存在偏低的情況，會導致冷拔工藝過程中塑性變形造成的內應力及工件內部的殘余應力不能得到有效釋放。另外，車削加工前，冷拔鋼管的殘余應力處于平衡狀態(tài)，工件經過內外表面加工后，該平衡狀態(tài)被破壞，導致工件內部殘余應力分布不均［6］。

微觀分析顯示裂紋在油缸臺階處最寬，越往兩端裂紋越細，并且從斷口處的形貌可看出，人字紋收斂于壁厚突然變化的內壁處。過低的去應力退火溫度導致冷拔過程中的內應力不能得到有效釋放，并在壁厚截面變化處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，當油缸在后續(xù)反復加載和卸載時產生的沖擊超過材料允許的強度后，裂紋首先會從應力集中點開始萌生，并沿著鋼管最薄弱部分擴展，而不良的金相組織（網(wǎng)狀鐵素體）又加速了裂紋的擴展傾向。

4 結 論

45鋼冷拔油缸管開裂的原因為不佳的熱處理方法（成品去應力退火）、不良的金相組織（網(wǎng)狀鐵素體）等綜合因素使油缸管塑性和韌性下降、脆性增加，導致鋼管耐壓性能下降，當油缸在后續(xù)反復加載和卸載時產生的沖擊超過材料允許的強度后，裂紋首先會從應力集中點開始萌生，并沿著鋼管最薄弱部分擴展，最終導致管材開裂。